空間光學系統(tǒng)技術發(fā)展探討

張新 付強

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

1 引言

空間光學是大氣外層空間利用光學設備對空間和地球進行觀測和研究的一個應用學科分支，對空間觀測和研究，主要是利用不同波段和不同類型的光學設備。進入21世紀，國際上一些發(fā)達國家和有關部門都已制定了空間發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，如美國航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）和俄羅斯政府相關部門等都提出空間發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，這些規(guī)劃提出了今后一段時間內(nèi)空間科學要解決的問題和發(fā)展的方向，而解決這些問題并推進空間技術的發(fā)展很大程度上依賴于先進的光學望遠鏡及儀器設備[1]。本文總覽了國際上典型的空間望遠鏡，包括“哈勃”望遠鏡、“詹姆斯·韋伯”望遠鏡、先進技術大孔徑太空望遠鏡、“開普勒”太空望遠鏡和暗能量專用太空望遠鏡，對空間望遠鏡光學系統(tǒng)設計形式的發(fā)展進行了歸納和總結(jié)，同時通過認真調(diào)研，從光學系統(tǒng)設計方法和新的成像方法上指出了幾個方向可能對未來空間光學系統(tǒng)帶來重大改變。最后給出本文的結(jié)論。

2 從幾代空間望遠鏡看空間光學系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

“哈勃”空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）是目前天文史上成就最大的觀測儀器，于1990年發(fā)射，由于它的軌道位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處——影像不會受到大氣湍流的擾動，沒有大氣散射造成的背景光，特別是可以觀測會被臭氧層吸收的紫外線。HST的主要參數(shù)見表1。

HST光學系統(tǒng)采用卡塞格林型的等暈系統(tǒng)，即Ritchey-Chretien（R-C）光學系統(tǒng)，這種系統(tǒng)含有兩面反射鏡，主鏡和次鏡均為雙曲面，能夠使球差和彗差同時得到校正，這種系統(tǒng)具有尺寸小、焦距長、無色差的優(yōu)點，但由于像散未消除，使得系統(tǒng)的視場不能很大，同時系統(tǒng)存在中心遮攔，限制了系統(tǒng)的成像品質(zhì)[2]。這就是HST視場僅為28′的原因。

“詹姆斯·韋伯”太空望遠鏡（The James Webb Space Telescope，JWST）是計劃中的紅外線觀測用太空望遠鏡，作為HST的繼任者，計劃于2013年發(fā)射升空，它將被放置在距地球15×105km的拉格朗日點L2點上，在30～55K的溫度下工作。主鏡口徑為6.5m，聚光面積25m2，主鏡總質(zhì)量705kg，系統(tǒng)面密度28.2kg/m2。

HST采用兩鏡系統(tǒng)，兩鏡系統(tǒng)的自由變量有4個，像差校正能力有限，如果再增加1個反射鏡，則自由變量便是7個，從而大大增加了消像差的可能性[3]。JWST的光學系統(tǒng)形式采用同軸三反消像散（The Three-Mirror Anastigmat,TMA）結(jié)構(gòu)，在所有的全反射式光學系統(tǒng)中，由3塊反射鏡組成的三鏡消像散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，可以在不需要使用折射元件的條件下同時消除4種初級像差（球差、彗差、像散和場曲），同時采用全反射式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)也不存在色差，且像質(zhì)比較理想，但同軸反射系統(tǒng)視場小，中心遮攔的存在嚴重影響了成像的像質(zhì)。

先進技術大孔徑太空望遠鏡（The Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope，ATLAST）是在研的下一代空間天文望遠鏡，主鏡口徑計劃在8m到16m，將由“大力神5號”火箭攜帶發(fā)射升空，預計2020年～2025年發(fā)射。ATLAST將把HST和JWST的優(yōu)點相結(jié)合，光譜覆蓋范圍與HST類似，軌道與JWST相同，均圍繞“第二拉格朗日”的引力平衡點L2盤旋。由于ATLAST口徑巨大，望遠鏡敏感度將得到極大的提升，ATLAST望遠鏡的敏感度是HST的近2 000倍，成像分辨率是HST或JWST的7倍左右。目前有3種設計方案，一種是8m主鏡的方案，見圖1。這個方案外形上看是一個擴大版的HST，采用的是整體結(jié)構(gòu)的主鏡，主鏡采用ULE材料，主鏡均方根誤差＜8nm。望遠鏡前端放置開普勒式60°傾角切口隨動遮光罩。望遠鏡后端留有Φ4m×4.5m空間放置儀器設備。一種是9.2m主鏡的方案，見圖2，這個方案從外形上看是擴大版的JWST，主鏡將由36塊ULE玻璃材料制作的六邊形鏡片拼接而成，每塊鏡片寬約為1.315m；一種是16.8m主鏡方案，見圖 3，主鏡將由36塊SiC材料的六邊形鏡片拼接而成，每塊鏡片寬約為2.4m。

圖1 ATLAST的8m主鏡設計方案

表 1 “哈勃”望遠鏡的主要參數(shù)

圖2 ATLAST的9.2m主鏡設計方案

圖3 ATLAST的16.8m主鏡設計方案

為了探測太陽系外類地行星，美國于2009年3月發(fā)射了 “開普勒”太空望遠鏡 （Kepler Space Telescope），在為期至少三年半的任務內(nèi)，“開普勒”望遠鏡將對天鵝座和天琴座中大約十萬個恒星系統(tǒng)展開觀測，以尋找類地行星和生命存在的跡象。

“開普勒”太空望遠鏡探測的波段為430～890nm，光學系統(tǒng)形式采用施密特結(jié)構(gòu)，主鏡直徑達到1.4m，CCD探測器像素數(shù)為9 500萬，由42個2 200×1 024像素的CCD拼接而成；視場對角線達到12°；動態(tài)探測范圍為9～16個星等；飛行組件和裝配儀器的質(zhì)量為1 017kg；飛行組件和裝配儀器的功率為771W，軌道周期為372.5天[4-6]。圖 4為“開普勒”空間望遠鏡的結(jié)構(gòu)布局圖。

圖 4 “開普勒”空間望遠鏡結(jié)構(gòu)布局圖

“開普勒”空間望遠鏡光學系統(tǒng)采用施密特結(jié)構(gòu)，施密特結(jié)構(gòu)是在球面反射鏡的球心處垂直光軸放置施密特校正板。校正板的第一個面是平面，第二個面為非球面，這個非球面在理論上可以使球面反射鏡的球差完全校正，因而相對孔徑很大，可達1∶0.75。由于光闌處于球面反射鏡的球心，軸外光束對于主光線完全對稱，因此沒有彗差和像散。校正板同時也是沒有軸向色差和垂軸色差，只有少量色球差。但是像面是彎曲的，與反射鏡的球面是同心圓。假如接受面是彎曲的，并與像面的彎曲相吻合，視場角可以很大，但如果接受面是平面，則視場角很小。開普勒空間望遠鏡的像面就是采用由42個2 200×1 024像素的CCD拼接而成的彎曲的焦平面，這樣才使得系統(tǒng)的對角線視場達到12°。這種光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的缺點是長度比較大，約等于主反射鏡焦距的兩倍。

過去的十年中，天文學最重要的一項科學發(fā)現(xiàn)即是確知宇宙的膨脹速度正在加快。根據(jù)引力場方程，這正是宇宙中存在負壓強能量的證明。該發(fā)現(xiàn)與宇宙物質(zhì)總密度約2/3的短缺都被認為是暗能量的作用。2004年，威爾金森微波背景各向異性探測器給出的數(shù)據(jù)表明，宇宙中只有約4.6%是原子的世界，暗物質(zhì)占了23%，而暗能量占宇宙總質(zhì)能的72%。美國宇航局和能源部把希望寄予合作項目 “聯(lián)合暗能量任務”（Joint Dark Energy Mission），意圖利用暗能量專用太空望遠鏡查明相關性質(zhì)。

神經(jīng)母細胞瘤為兒童最常見的顱外交感神經(jīng)節(jié)惡性腫瘤，占兒童惡性腫瘤的8% ～10%，由未分化的交感神經(jīng)細胞組成，為發(fā)育中的脊髓外層遷移過來的神經(jīng)母細胞或原始神經(jīng)嵴細胞衍化而成［7－8］。神經(jīng)母細胞瘤生長迅速，轉(zhuǎn)移較早，惡性程度高，發(fā)病率為1/10萬，臨床特點多樣性，大部分患者治療后容易復發(fā)轉(zhuǎn)移，預后不良，腫瘤外科的根治性手術不能清除所有的癌細胞［9－10］。因此如何應用化學和生物學的方法誘導神經(jīng)母細胞瘤分化、逆轉(zhuǎn)、消退已成為該領域研究的熱點問題［11］。

暗能量專用太空望遠鏡現(xiàn)有兩種設計備選方案，其中優(yōu)勢明顯的是采用離軸三反消像散系統(tǒng)形式，主鏡口徑在1.1m以上[7]。擬采用視場離軸類似于經(jīng)典的Cooke三片型結(jié)構(gòu)形式，見圖5。庫克三片式采用正負正光焦度分配方式，可以同時消除4種初級像差（球差、彗差、像散和場曲），同時采用全反射式機構(gòu)，系統(tǒng)也不存在色差，且像質(zhì)比較理想，與同軸三反消像散系統(tǒng)相比，離軸三反消像散系統(tǒng)可同時實現(xiàn)長焦距與大視場，且沒有中心遮攔，調(diào)制傳遞函數(shù)高[8]。

圖5 離軸三反消像散Cooke系統(tǒng)

從以上空間天文望遠鏡的光學系統(tǒng)形式發(fā)展過程中可以看出，空間天文望遠鏡結(jié)構(gòu)形式主流上采用全反射式光學系統(tǒng)，為了追求高像質(zhì)和大視場，光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式由傳統(tǒng)的同軸兩鏡系統(tǒng)發(fā)展到同軸TMA系統(tǒng)，再發(fā)展到離軸TMA系統(tǒng)，為了滿足更高的需求，光學系統(tǒng)主鏡的孔徑一直在增大，但單鏡主鏡的成像品質(zhì)始終優(yōu)于拼接式主鏡，即使當主鏡口徑達到8m情況下，研究者們也沒有放棄單鏡主鏡的方案。

3 前沿新技術生長點

進入21世紀，技術的發(fā)展日新月異，很多新奇新穎的設計理念和技術方法的出現(xiàn)，給空間光學技術的發(fā)展注入了新的活力。下面分別從光學系統(tǒng)設計方法、波前傳感技術和新的成像方法上指出了幾個方向可能對未來空間光學系統(tǒng)帶來重大改變。

3.1 光學系統(tǒng)設計方法——自由曲面

自由曲面是一類非旋轉(zhuǎn)對稱、形狀不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，它不僅能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低成本、實現(xiàn)功能集成化，還能提高和改善系統(tǒng)性能。光學自由曲面是一類特殊的自由曲面，由于其全新的設計理念，能最大限度地改善光學系統(tǒng)的性能，如校正像差、改善像質(zhì)、擴大視場等，是新一代光學系統(tǒng)的核心關鍵元件。

“哈勃”空間望遠鏡最初傳回來的圖片有嚴重的問題，獲得的最佳圖像品質(zhì)遠低于期望：點源的影像被擴散成超過一弧秒半徑的圓。問題來源于主鏡的形狀被磨錯了 /20，鏡面與需要的位置只差了2μm，但這個差別造成了災難性的球面像差。1993年進行對“哈勃”空間望遠鏡的第一次維修，研究人員設計一個有符號相反等值的球面像差光學系統(tǒng)，相當于配上一副能改正球面像差的眼鏡。用來改正球面像差的儀器稱為空間望遠鏡光軸補償校正光學（The Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement，COSTAR），其光路布局見圖 6。2005年，Joseph M.Howard在OSA年會的特邀報告中提到在COSTAR中使用了兩片自由曲面。

圖6 COSTAR光路布局圖

自由曲面是在軸對稱非球面的基礎上全面放開面形自由度，使其完全非對稱化，像差平衡能力大大提升，尤其對軸外像差平衡能力明顯，從而提升光學系統(tǒng)的視場適應能力。其特點與我國新一代航天遙感光學系統(tǒng)的發(fā)展需求相契合，為解決現(xiàn)有技術的瓶頸帶來了曙光，具有非常高的應用價值。

3.2 波前傳感技術

位相恢復技術是從相機獲得的圖像（光強分布）信息中推算出光學系統(tǒng)的波面像差的一種波前傳感技術。這種方法直接用相機獲得的圖像信息作為評價像質(zhì)的依據(jù)，是一種最直接和真實的評價。這里沒有任何其他傳感器，所以系統(tǒng)簡單，也沒有傳感器和圖像之間的任何換算誤差[8]。

光學系統(tǒng)的波像差是代表光學系統(tǒng)成像品質(zhì)的最根本的物理量。有了波像差的數(shù)據(jù)，就可以計算出點擴散函數(shù)和光學傳遞函數(shù)，知道圖像變模糊的原因，從模糊圖像中恢復原來的圖像。

位相恢復問題歸結(jié)為已知點擴散函數(shù)和光瞳函數(shù)的振幅分布，求出光瞳函數(shù)的位相部分，即波像差。從數(shù)學關系上說，這時的解不是唯一的解，但可以利用迭代法和參數(shù)選擇方法求得滿意的結(jié)果。

計算機的發(fā)展和軟件優(yōu)化水平的不斷提高，這種位相參差的位相恢復技術有了很大的進展，在實驗室位相恢復精度已經(jīng)達到了衍射極限水平，自適應控制的閉環(huán)周期達到了100Hz。目前，該技術已經(jīng)開始實際應用，且應用前景頗好，前述的“詹姆斯·韋伯”天文望遠鏡在軌調(diào)整方案就是采用了該項技術。

3.3 成像方法——計算成像

由于衛(wèi)星發(fā)射時沖擊、振動及空間環(huán)境的影響，使得光學系統(tǒng)組成元件之間的間隔、鏡片面形發(fā)生變化，系統(tǒng)的成像像質(zhì)難免不受到影響。如何提高光學系統(tǒng)的容限同時提高空間光學望遠鏡的環(huán)境適應性，很多研究者對此進行了深入的研究，很多實用的新的理論和方法被提出。其中就包括利用目前圖像處理技術上的優(yōu)勢來彌補光學系統(tǒng)的某些缺點，即光數(shù)混合成像技術的研究，也就是下面提到的計算成像技術。

計算成像技術是通過聯(lián)合光學和數(shù)字圖像處理（或計算）的方法來產(chǎn)生傳統(tǒng)光學系統(tǒng)極難獲得或無法獲得的圖像。發(fā)展計算成像技術的動機在于兩方面，一方面它可以提供更優(yōu)越的成像特性，包括視場范圍、光譜分辨率、動態(tài)范圍、時間分辨率等，同時也可以實現(xiàn)光學系統(tǒng)的機動性（可以操縱成像光學系統(tǒng)的焦距、景深、分辨率、照度等）。另一方面，提高成像系統(tǒng)的性能與復雜程度的比率，高性能通常帶來高的系統(tǒng)復雜程度，而計算成像技術可以通過引入數(shù)字圖像處理換來系統(tǒng)復雜程度的簡化。在計算成像技術中，研究人員對波前編碼技術和編碼孔徑成像技術的研究投入了大量的精力。

波前編碼技術是一種將光學成像技術和數(shù)字圖像處理技術相結(jié)合的新型成像技術。該技術的主體思想是：在光學系統(tǒng)光瞳處加入一個特殊形式的位相掩模板，經(jīng)過理論計算光學設計軟件的模擬分析，構(gòu)造出使光學系統(tǒng)對某種光學參數(shù)（主要是各種像差）不敏感的掩模板模型，然后采用數(shù)字圖像處理技術對所獲得的中間像進行處理，去除掩模板對光學系統(tǒng)的影響，得到一個全變動范圍內(nèi)都比較好的成像品質(zhì)。由于掩模板采用位相形式，所以在光傳輸過程中，不損失光能量，比起現(xiàn)有的二元成像光學能夠獲得更高的成像效率[9-10]。

編碼孔徑成像系統(tǒng)是混合光數(shù)成像系統(tǒng)，采用多孔徑編碼掩模替代了具有聚焦能力的光學元件（透鏡、反射鏡），這一掩模對將傳播到一個二位探測器陣列的來自場景的波前進行編碼，隨后采用基于編碼的掩模透射的知識，通過相關或解卷積對探測的二維強度圖像進行解碼，恢復場景的圖像。

與常規(guī)的采用透鏡或反射鏡將來自場景的光線聚焦在探測器陣列上的成像方法相比，自適應編碼成像有以下優(yōu)點[11]：

1）通過消除常規(guī)的光學元件降低了系統(tǒng)的質(zhì)量；

2）對給定的角分辨率，可減小系統(tǒng)的質(zhì)量；

3）具有降低成像系統(tǒng)成本的潛力；

4）景深無限大，對于近距離和中距離場景具有被動三維成像的可能；

5）具有柔性故障模式，允許探測器和掩模陣列上的多點或成線缺陷，這是由場景中的每一點的光的分布特性決定的；

6）可以忽略圖像失真和畸變；

7）由于圖像形成是分布式的，對給定的探測器陣列像素數(shù)目和系統(tǒng)視場，可以提高系統(tǒng)的分辨率。

現(xiàn)在美國Northrop Grumman公司和英國QinetiQ公司正在美國國防部先進技術預研局提出的LACOSTE項目的支持下，發(fā)展采用具有多個視看方向的交織的子孔徑來實現(xiàn)高分辨率、靈活的變分辨率能力和大視場的概念，幾千米的高度下視觀察及在大范圍內(nèi)連續(xù)成像的傳感器，保證了實現(xiàn)探測和跟蹤感興趣的物體所需的分辨率。

4 結(jié)束語

本文總覽了國際上典型的空間望遠鏡，從空間天文望遠鏡的光學系統(tǒng)形式的發(fā)展過程中可以看出，空間天文望遠鏡結(jié)構(gòu)形式主流上采用全反射式光學系統(tǒng)，為了追求高像質(zhì)和大視場，光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式由傳統(tǒng)的同軸兩鏡系統(tǒng)發(fā)展到同軸TMA系統(tǒng)，在發(fā)展到離軸TMA系統(tǒng)，為了滿足更高的需求，即更大的角分辨率，光學系統(tǒng)主鏡的孔徑一直在增大，但單鏡主鏡的成像品質(zhì)始終優(yōu)于拼接式主鏡。從發(fā)展速度上看，光學系統(tǒng)的形式的采用趨于保守，從R-C到TMA，步子邁得不大，但幾代空間望遠鏡在獲取信息量上有質(zhì)的跨越。本文還提出了幾個空間光學技術發(fā)展的新方向。在光學系統(tǒng)的設計方法上，光學自由曲面的應用，將能最大限度地改善光學系統(tǒng)的性能。在波前傳感技術方面，基于位相參差的位相恢復技術將發(fā)揮重要作用。最后對新興的計算成像技術中的波前編碼技術和編碼孔徑成像技術進行了簡要的介紹。新興的技術和方法發(fā)展十分迅速，可能會醞釀空間望遠鏡光學系統(tǒng)形式的大的改變。

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